岩石爆破损伤断裂的细观机理及其力学特性研究

 博士学位论文摘要　通过理论分析与建模、实验室与现场试验、数值模拟计算三个方面, 深入探讨了岩石在爆炸荷载作用下的细观断裂机理及损伤演化规律, 对爆破损伤岩石的力学特性进行了实验研究和分析。在分析研究现有岩石爆破损伤模型和岩石损伤断裂理论的基础上, 提出了用宏观和细观相结合, 用细观损伤断裂力学方法描述和计算了岩石爆破破碎过程, 并将爆破过程分为应力波的动力作用和爆生气体的驱动及准静态应力场作用两个相互连贯, 而作用机理又不尽相同的两个阶段: 第一阶段为爆炸应力波作用下的动态损伤断裂初期效应, 第二阶段为爆生气体的流体驱动和静态压力场作用下的损伤断裂后期效应, 并分别研究了该两阶段岩石在爆炸载荷作用下的微裂纹扩展和损伤演化规律以及岩石爆破损伤断裂准则。在应用计算损伤材料有效模量的Taylo r方法基础上, 建立了一个适应范围更广的新的岩石爆破损伤模型; 然后应用细观损伤力学和断裂力学理论, 建立了岩石在爆生气体驱动下的宏观裂纹扩展及在静态压力场作用下的裂纹尖端损伤局部化模型, 从而确定了岩石在爆炸载荷作用下的损伤场, 揭示了岩石爆破损伤断裂的全过程实质。运用超动态应变测试、超声波及电镜对岩石爆破损伤断裂机理和破坏过程进行了实验研究, 模拟了炮孔填塞和无填塞、耦合装药和不耦合装药、不同参数下的爆破过程, 分析了不同爆破条件下岩石内部的微裂纹扩展、损伤演化和岩石破碎规律。结果表明: 爆炸应力波对岩石的破坏作用主要体现在爆破近区, 而在爆破中远区主要产生损伤, 如果没有爆生气体的后期作用, 这种损伤一般不会造成破坏; 而爆生气体是裂纹扩展的主要原因, 特别是在主裂纹的形成和扩展过程中起了十分重要的作用。实验结果验证了所建模型的正确性和合理性。在现场及实验室实验的基础上, 分析研究了爆破对围岩的损伤作用, 建立了岩石弹脆性细观损伤模型; 并认为爆破对围岩的损伤作用体现在对岩石力学性能劣化和岩体完整性降低两方面, 其损伤程度与装药条件、爆破参数及远场应力有密切关系, 加大不耦合装药系数可以明显减弱对围岩的损伤作用;首次提出了爆破损伤岩石基本质量指标的概念, 推导了爆破对岩体基本质量指标BQ 公式的影响系数表达式, 定量地分析了爆破对围岩质量影响与损伤程度, 这对合理选取爆破参数和对围岩、边坡稳定有实用指导价值。以DYNA 22D 程序为基本框架, 采用小损伤条件下的解耦方法, 实现了对岩石爆破过程的数值模型, 计算模拟并对比了填塞和无填塞装药条件下的岩石爆破过程和损伤演化, 数值模拟与实验结果基本一致。     

岩石动态损伤特性实验及爆破模型

 探索岩石动态损伤参量及其演化表征方式以构造岩石爆破损伤模型。通过岩石冲击损伤实验,对冲击前后试件进行超声波测试, 得出岩石动态损伤与超声波衰减规律的关系。在考虑岩石冲击损伤过程的声波衰减规律及其与能量耗散率关系的基础上, 建立新的岩石爆破损伤模型。通过实验验证该模型的计算结果并实现了岩石台阶爆破数值计算。     

基于细观力学的脆性岩石长期蠕变失效研究

蠕变特性是评价岩石长期失效特性的重要依据。基于岩石细观力学模型及裂纹扩展法则,结合细观裂纹长度与宏观应变定义损伤之间的联系,建立细观裂纹扩展与宏观应变之间的关系,并给出岩石的应力–应变关系及三级蠕变演化表达式。研究岩石渐进失效过程中不同围压下的应力–应变关系,并分析分级加载下的蠕变演化规律,其结果与试验结果吻合较好,验证了提出的细观模型的合理性。然后,对不同常应力状态下的蠕变失效时间与稳态蠕变率进行研究,其结果对高地应力下地下支护结构的设计及服役寿命的评估具有重要指导意义。     

冻结岩石细观结构及温度场数值模拟研究

冻结岩石是一种内部结构及其复杂的岩土工程材料,热学特性与其细观结构密不可分.随着计算机技术的飞速发展,数字图像处理技术已经越来越多地应用于岩土工程领域.利用数字图像处理技术建立冻结岩石的细观结构模型,精确地描述页岩内部的空间结构及细观介质分布的几何形态.利用几何矢量转换技术,将细观结构模型转换为有限元物理模型,分析了负温条件下非均质冻结岩石冻融循环过程中的温度场分布规律.数值模拟结果表明:岩石的细观结构决定了冻融岩石温度场的分布形态,对岩石冻融损伤破坏过程产生不可忽视的影响.文章所提出的方法可实现考虑冻融岩石细观结构的冻土热、力学特性的定量分析.     

热–水–力耦合作用下结晶岩渗透特性演化模型

在热力学框架下,采用细观力学方法,建立热–水–力(THM)耦合条件下低渗饱水结晶岩的各向异性损伤模型,考虑非等温条件下微裂纹水压力作用、法向刚度恢复以及滑动剪胀等细观力学机制对岩石宏观力学性能的影响。在此基础上,采用均匀化方法,建立各向异性损伤诱发的岩石有效渗透特性演化模型,指出损伤岩石有效渗透特性下限估计模型的局限性,进而给出可反映损伤演化过程中微裂纹连通性等细观结构特征的岩石有效渗透特性上限估计模型。采用三轴压缩过程中花岗岩的渗透率变化、高温热处理后花岗岩的单轴压缩性能、TSX巷道开挖产生的围岩损伤与渗透率变化等室内外试验成果对模型进行验证。     

岩石破裂过程渗透性质及其与应力耦合作用研究

为了分析岩石细观结构特性变化引起渗透性演化对宏观力学行为的影响,并进行渗流应力耦合作用下岩石破裂机制的研究。基于细观损伤力学和Biot经典渗流力学,建立了岩体损伤非线性本构方程和渗透率关系模型,开发出岩石破裂过程渗流-应力耦合分析系统(coupling system of flow and solid in rock failure process analysis,简称F-RFPA2D),拓宽了原有程序RFPA2D的研究领域。这个系统能够对裂纹在萌生、扩展过程中渗透率演化规律及其渗流-应力耦合机制进行模拟分析,把流固耦合问题的研究从应力状态深入到破坏过程。围绕岩石破裂过程中渗透性的演化规律及其渗流-应力耦合作用机理这一课题,开展以下方面的研究工作: (1) 对经典Biot渗流力学做了进一步的考察,验证了建立耦合渗流方程的主要假设,讨论了各种渗流与应力耦合方程及数学模型的适用条件,通过不同深度岩体渗透率工程试验研究,分析了连续介质模型耦合渗流方程参数的物理意义、适用性和测试方法。 (2) 通过岩石应力应变-渗透率全过程实验研究,从细观结构特征揭示出岩石应力峰值前后的渗透性演化规律。基于逾渗理论,通过引入突跳系数这一概念,建立了描述岩石破裂过程的渗流-应力-损伤关系方程。 (3) 秉承RFPA2D关于岩石材料的细观非均匀性的基本思想,在统计     

灰岩细观结构的化学损伤效应及化学损伤定量化研究方法探讨

化学腐蚀下岩石细观结构的改变是引起岩石力学性质变化的根本原因,因此,对细观结构的化学损伤效应及其定量化的研究具有重要意义。通过化学腐蚀下岩石细观结构的变化,分析研究了化学溶液对岩石细观结构的腐蚀损伤效应;并以空隙率的变化为基础,建立了化学腐蚀下岩石细观结构化学损伤变量计算公式,给出了损伤测量参数的计算方法。该方法的应用,对岩石试件无破坏作用,可对同一试件持续进行不同时间段的腐蚀损伤特征研究。避免了在损伤时间效应研究过程中,因使用不同的岩块,而由岩块间微观结构差异所产生的误差影响。     

脆性岩石的细观裂纹损伤及其时效特征

本文在单调加载和恒载蠕变条件下进行了脆性岩石损伤动态全过程的细观试验．研究了细观裂纹的形式、发展及其损伤效应．探讨了断裂过程区的细观裂纹损伤特性．结果表明．细观裂纹是导致脆性岩石损伤极其重要而基本的因索．且具有显著的时效特征．在此基础上．将细观裂纹几何参数与岩石宏观力学参量相联系，分别建立了脆性岩石在单调加载和蠕变条件下的细观裂纹掏伤模型．并作了相应验证．     

三峡船闸高边坡央体的细观损伤及长期稳定性研究

通过扫描电镜下的一系列加载试验，对三峡船闸高边坡的闪云斜长花岗岩的细观损伤特性进行了研究；在此基础上，依据脆性岩体的细观损伤理论，进一步分析了岩石细观时效损伤对高边坡岩体稳定性的影响。     

三峡船闸高边坡岩体的细观损伤 及长期稳定性研究

通过扫描电镜下的一系列加载试验，对三峡船闸高边坡的闪云斜长花岗岩的细观损伤特性进行了研究；在此基础上，依据脆弹性岩体的细观损伤理论，进一步分析了岩石细观时效损伤对高边坡岩体稳定性的影响     

Analytical solutions for the stresses and deformations of deep tunnels in an elastic-brittle-plastic rock mass considering the damaged zone

The excavation impact (e.g. due to blasting, TBM drilling, etc.) induces an excavation damaged or disturbed zone around a tunnel. In this regard, in drill and blast method, the damage to the rock mass is more significant. In this zone, the stiffness and strength parameters of the surrounding rock mass are different. The real effect of a damage zone developed by an excavation impact around a tunnel, and its influence on the overall response of the tunnel is of interest to be quantified. In this paper, a fully analytical solution is proposed, for stresses and displacements around a tunnel, excavated in an elastic–brittle–plastic rock material compatible with linear Mohr–Coulomb criterion or a nonlinear Hoek–Brown failure criterion considering the effect of the damaged zone induced by the excavation impact. The initial stress state is assumed to be hydrostatic, and the damaged zone is assumed to have a cylindrical shape with varied parameters; thus, the problem is considered axial-symmetric. The proposed solution is used to explain the behavior of tunnels under different damage conditions. Illustrative examples are given to demonstrate the performance of the proposed method, and also to examine the effect of the damaged zone induced by the excavation impact. The results obtained by the proposed solution indicate that, the effects of the alteration of rock mass properties in the damaged zone may be considerable.     

Causes, impact and control of overbreak in underground excavations

Drill and blast system is used in hard rock excavation due to its economics and adaptability to changing rock mass conditions. Common question during mining and tunneling operations is ‘whether overbreak has been caused by blasting practice or poor rock mass quality’. Critical evaluation of the factors influencing blast damage is required to address such questions.In order to understand the mysterious nature of blast damage prediction and control, the field work involved the small scale blasting of physical models and the assessment of blast damage during drifting operations. The damage was measured by the Half cast factor, percentage overbreak and the Blast damage index. The influence of rock mass features, explosive characteristics and blast design parameters on overbreak has been examined in this study. A new approach for the judicious design of perimeter hole pattern and charge concentration has been proposed. Implications of blast damage have also been outlined in this paper.     

三峡工程临时船闸与升船机开挖中的爆破方案优化和爆破振动控制

 根据三峡工程临时船闸与升船机岩体开挖过程中的施工期安全监测的实践, 对与围岩爆破损伤影响范围有关的岩石基础开挖中的合理爆破方式与程序选择、岩质高边坡及中隔墩的爆破振动控制等几个与爆破开挖相关的主要问题作了概括性的介绍, 文中同时对一些值得进一步研究的问题作了讨论。     

周边爆破造成围岩损伤的试验研究

降低爆破对围岩的损伤十分必要，利用试验方法寻求周边爆破参数对围岩爆破损伤的影响规律是促进这一问题解决的有效方法。据此，介绍周边爆破造成围岩损伤研究的模型试验技术与测量方法，并对不同周边爆破参数条件下取得的试验结果进行分析，进而获得周边爆破参数影响围岩中爆破损伤分布的基本规律。研究结果对爆破工程实践、爆破参数优化和深入的周边爆破理论研究具有一定指导意义和参考价值。     

Safety of engineered structures against blast vibrations:A case study

Blasting used for rock excavation is associated with ground vibrations having potential damage to surrounding structures.The extent of damage produced in a structure depends largely on ground motion characteristics,dynamic characteristics of structure and the type of geological strata on which it is founded.The safety of surrounding structures against blast vibrations is a cause of concern.However,use of a systematic approach to rock blasting helps to complete the excavation safely in time without endangering the safety of surrounding structures.Various steps are commonly adopted at construction sites to ensure safety of engineered structures against blast vibrations,e.g.adopting a suitable safe vibration level,developing site-specific attenuation relation,estimating safe charges for different distances,designing blasting pattern,and monitoring vibrations during actual blasting.The paper describes the details of studies conducted for ensuring safety of an 85 years old masonry dam and green concrete of varying ages during excavation of about 30,000 m~3 of hard rock in Maharashtra,India.The studies helped to complete the rock excavation safely in time and the safety of the dam was ensured by monitoring blast vibrations during actual rock excavation.     

宁德核电站核岛基坑爆破开挖安全控制研究

 基坑在进行爆破开挖时,爆孔周围岩体必然会因爆炸作用而造成破坏,因此加强爆破开挖安全控制对于保障工程质量至关重要。以福建宁德核电站核岛基坑爆破开挖为依托,根据场地地质勘测资料,通过现场爆破振动试验获得场地爆破振动衰减规律,通过声波测试以及数值模型试验获得爆区损伤深度与距爆源30 m处质点峰值振动速度之间的函数关系,结合工程施工对基础爆破开挖损伤的要求确定30 m处爆破振动速度阈值,并通过后期全程监测验证控制参数的有效性。     

基于爆破振动监测的岩石边坡开挖损伤区预测

 通过对白鹤滩水电站左岸834.0～770.0 m高程坝肩槽边坡爆破开挖振动监测和爆破损伤的声波检测,分析第一～六梯段的振动衰减规律,并通过回归分析建立不同爆心距处质点峰值振动速度与损伤深度的关系,并利用此关系和爆破振动监测结果对第七梯段的损伤深度进行预测。结果表明,当边坡岩性较为均一,且坡体上无较大结构面发育时,在一定距离处边坡预裂爆破振动峰值与保留岩体的损伤深度之间的相关性良好;采用预裂爆破振动衰减规律与保留岩体损伤深度之间的关系预测下一梯段损伤范围的方法简便可行,可大大降低大面积边坡损伤声波检测的工程量。考虑到地质条件、开挖造成的地貌改变等因素,为进一步提高预测精度,需要增加其它因素作为回归要素,或者增加部分关键部位的声波检测,对预测结果进行修正补充。     

钻爆开挖条件下岩体临界破碎状态的损伤阈值统计研究

 研究岩体的临界破碎损伤阈值对于划分岩体的破碎状态和确定爆破岩体可开挖范围有重要意义。根据爆破作用过程和岩体破碎机制,分析钻爆条件下岩体的破碎状态,提出保留岩体与可开挖岩体的分界面处于一种临界破碎状态。基于岩体的声波特性和损伤理论,利用岩体损伤变量来表征岩体的破碎程度,并将岩体损伤分为初始损伤和爆破损伤。依托白鹤滩水电站工程项目,在坝肩爆破开挖区进行大量的声波测试试验,分析不同深度岩体的损伤状态,试验结果表明,爆后岩体临界破碎损伤变量在0.8左右。搜集国内外有关项目的声波实测数据,统计临界破碎状态岩体的损伤变量,并最终确定其损伤阈值为0.75～0.85。     

Blast-induced rock damage control in Fangchenggang nuclear power station,China

In the process of blasting excavation, stress wave propagation and gas expansion can basically induce damage to surrounding rocks, which is detrimental to rock mass integrity and engineering safety. In this case, evaluation and control of blast-induced effects are essential to the safety of nearby buildings and integrity of bedrock in blasting field. In Fangchenggang nuclear power station of China, the drill-and-blast method was employed for bedrock excavation. In order to reduce the blast-induced damage zone, the wave propagation and associated damage to rock mass should be carefully investigated. In this paper, the wave propagation regressively obtained from field monitoring data was presented based on empirical formula (e.g. Sadovsky formula). The relationship between the peak particle velocity (PPV) at a distance of 30 m away from the charge hole and charge per delay in blast design was derived. Meanwhile, the acoustic tests before and after blasting were conducted to determine the damage depth of rock mass. The charge per delay in blast design was then calibrated based on the blast-induced wave propagation regularity. The results showed that a satisfactory effect was achieved on blast-induced damage control of rock mass. This could be helpful to rock damage control in similar blasting projects.